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2 Aktive Gruppenstrahler
2.4 Optimale Anordnung der Einzelstrahler
Die Anordnung der Einzelstrahler in einer Gruppenantenne ist bereits seit den 1960er Jahren immer
wieder aus verschiedenen Blickrichtungen betrachtet worden [60, 61], wird aber auch heute
noch untersucht [62, 63]. Oft geht es darum, ein möglichst optimales Gitter zu finden, auf dem die
Einzelstrahler positioniert werden. Was als Optimum anzusehen ist, ist stark von der Anwendung abhängig.
Allerdings ist das Ziel oft, mit möglichst wenigen Elementen ein spezielles Richtdiagramm
des Gruppenstrahlers zu realisieren. Anforderungen an das Richtdiagramm sind beispielsweise eine
spezielle 3 dB-Keulenbreite bei einem einzuhaltenden SLL. Aufgrund von Verkopplungen unterhalb
der Einzelstrahler, und bei aktiven Antennen aufgrund der Integrationsdichte, ist auch meist ein möglichst
großer Abstand zwischen den Elementen anzustreben. Diese Forderung hat jedoch unmittelbar
Einfluss auf die 3 dB-Keulenbreite, das SLL und das Auftreten von sekundären Hauptkeulen, was
die Optimierung der Anordnung der Einzelstrahler sozusagen initiiert.
In diesem Abschnitt sollen die prinzipiellen Eigenschaften bekannter Anordnungen kurz wiedergegeben
werden. Der Fokus liegt auf einer möglichen Tauglichkeit für Satellitenkommunikation im
Millimeterwellenbereich inklusive PDM. Die Frage ist also, welches Gitter am besten für eine Anwendung
geeignet ist, in der zwei unterschiedlich polarisierte Signale gleichzeitig genutzt werden
können. Im Folgenden werden dazu, nach einer kurzen Wiederholung einiger Grundlagen, regelmäßige
rechteckige und dreieckige Gitter untersucht. In [60] wird bereits beschrieben, dass dreieckige
Gitter gegenüber rechteckigen einige Vorteile aufweisen. Allerdings gilt dies zunächst nur für Gruppenstrahler,
deren Elemente identisch polarisiert sind.
Sekundäre Hauptkeulen
Eine sekundäre Hauptkeule bezeichnet eine Wiederholung der Hauptkeule eines Gruppenstrahlers
in eine andere Richtung und ist in der Regel unerwünscht. Aufgrund der Periodizität der Exponentialfunktion
im array factor (vgl. Gleichung 2.15) gibt es theoretisch unendlich viele sekundäre
Hauptkeulen, allerdings befinden sich nur endlich viele (oder keine) im sogenannten sichtbaren Bereich.
Das Auftreten von sekundären Hauptkeulen im sichtbaren Bereich ist prinzipiell immer dann möglich,
wenn das Nyquist-Kriterium nicht eingehalten wird. Vergleichbar mit der Abtastrate bei analogen
Signalen müssen also immer zwei oder mehr Abtastpunkte (Antennenelemente) pro Wellenlänge
vorhanden sein. Ist dieses Kriterium erfüllt, kann die Hauptkeule in jede Richtung innerhalb
des sichtbaren Bereichs geschwenkt werden, ohne dass sekundäre Hauptkeulen entstehen. Anders
ausgedrückt, erhält man einen vollen Schwenkbereich (engl. scanning range). Dieser verringert sich
für einen Elementabstand zwischen einer halben und einer Wellenlänge und verschwindet darüber.
Das bedeutet, es entstehen am Rande des sichtbaren Bereichs bereits sekundäre Hauptkeulen, ohne
dass die Hauptkeule geschwenkt wird.
Es ist nach wie vor möglich, auch Gruppenstrahler mit einem eingeschränkten Schwenkbereich für
gewisse Anwendungen einzusetzen. Man verletzt zwar das Nyquist-Kriterium, aber vergleichbar mit
der Unterabtastung (engl. undersampling) [64] von digitalen Signalen, wo nach einer Filterung auch
nur ein gewisser Anteil eines höherfrequenten Signals verarbeitet werden kann, wird nur ein Abschnitt
(wie ein Fenster) des sichtbaren Bereichs benutzt.
Zur Verdeutlichung ist in Abbildung 2.10 der normierte array factor eines linearen Gruppenstrahlers
mit 16 Elementen im Abstand von 1, 5 λ 0 dargestellt.
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